CN105547201A - 平面度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种平面度测量装置，由激光发射器、位置敏感探测模块、控制器、探头、机壳、压缩弹簧、压盖、互相平行的第一X向滑轨与第二X向滑轨、互相平行的第一Y向滑轨与Y向滑轨以及放置被测零件的基板组成，本发明具有结构简单、使用方便、价格低廉和平面度测量精度高的特点，可应用于批量生产现场和机械加工车间，对平面度进行检测。

Description

平面度测量装置

技术领域

本发明涉及测量装置的技术领域，具体是一种平面度测量装置，主要应用于批量生产现场和机械加工车间，对测量成本和测量效率要求较高，但是工作环境较差场合，对平面度进行检测。

背景技术

在批量生产现场和机械加工车间，目前常用三坐标测量仪、塞尺和百分表测量平面度。三坐标测量仪对测量环境要求高，且测量效率低下、操作复杂、价格昂贵，因此，不适用于批量生产现场对平面度的实时测量；用塞尺和百分表测量平面度具有操作简单和成本低的优点，但是测量精度较低，不能满足高精度测量平面度的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种平面度测量装置。该装置具有结构简单、使用方便和平面度测量精度高的特点，可应用于批量生产现场和机械加工车间等对平面度要求较高场合，对平面度进行检测。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种平面度测量装置，其特征在于：包括激光发射器、位置敏感探测模块、控制器、探头、机壳、压缩弹簧、压盖、互相平行的第一X向滑轨与第二X向滑轨、互相平行的第一Y向滑轨与Y向滑轨以及放置被测零件的基板；

所述的位置敏感探测模块固定在探头内，探头放置在机壳内，两者之间采用精密间隙配合，探头上表面开一个圆形凹槽，用于放置压缩弹簧，压盖设有一凸台，嵌入在圆形凹槽内，压盖与机壳之间通过螺钉固定，压盖向下使压缩弹簧产生形变，对探头上表面施加预紧力；

所述的激光发射器由激光器二极管、激光壳体、准直透镜、衰减片和聚焦透镜组成，激光二极管发射的激光束沿中心光轴，依次通过准直透镜、衰减片和聚焦透镜；

所述的激光发射器固定在机壳外表面，机壳侧壁开一个通光孔，使激光发射器输出的激光聚焦到位置敏感探测模块光敏面的中心区域进行光电转换，控制器固定在机壳的外壁上，通过导线与位置敏感探测模块相连，电信号经控制器进行信号转换和处理，并显示激光光斑几何中心位置信息，因此，将探头的机械位移转换为光斑在探测器光敏面上的位移，实现探头在Z方向的位置测量；

所述的机壳分别与第一X向滑轨和第二X向滑轨通过轴孔精密间隙配合连接，第一X向滑轨和第二X向滑轨的两端分别设有方形通槽，并通过该方形通槽与第一Y向滑轨、第二Y向滑轨连接，连接处采用精密间隙配合，第一Y向滑轨、第二Y向滑轨的底部固定于基板的四角上，机壳通过第一X向滑轨和第二X向滑轨实现探头在X方向的移动，通过第一Y向滑轨、第二Y向滑轨实现探头在Y方向的移动。

所述的激光器为600nm～900nm波段带尾纤输出的单纵模半导体激光二极管。

所述的准直透镜为双凸的球面或非球面透镜，透镜表面镀有与激光器波长相同的增透介质膜。

所述的衰减片为吸收型衰减片，通过衰减光强使得位置敏感探测模块工作在线性区。

所述的聚焦透镜为双凸的球面或非球面透镜，透镜表面镀有与激光器波长相同的增透介质膜。

所述的光电敏感探测模块选用一维位置敏感探测器进行光电转换和位移测量，通过标定和线性插值的方法提高位移测量精度。

本发明可实现平面度测量，与传统方法相比，优势在于：本发明采用光电探测的原理，将机械位移转化为激光光源在位置敏感探测器上的位移，利用位置敏感探测器位移分辨率高的特点，实现了平面度的高精度测量，与传统方法相比，平面度测量精度得到明显提升，同时，该方法结构简单、操作方便，可应用于批量生产现场和机械加工车间等，对平面度要求较高，且工作量繁重的场合。

附图说明

图1为本发明平面度测量装置结构剖面示意图。

图2为本发明平面度测量装置结构示意图。

图3为本发明光路结构示意图。

图4为位置敏感探测器PSD结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2，图1和图2是本发明平面度测量装置结构示意图。由图可见，本发明平面度测量装置，该装置包括激光发射器1、位置敏感探测模块2、控制器3、探头4、机壳5、压缩弹簧6、压盖7、互相平行的第一X向滑轨8与第二X向滑轨9、互相平行的第一Y向滑轨10与Y向滑轨11以及放置被测零件13的基板12；位置敏感探测模块2固定在探头4内，探头4放置在机壳5内，两者之间采用精密间隙配合，探头4上表面开一个圆形凹槽，用于放置压缩弹簧6，压盖7设有一凸台，嵌入在圆形凹槽内，压盖7与机壳5之间通过螺钉固定，压盖7向下使压缩弹簧6产生形变，对探头4上表面施加预紧力；激光发射器1由激光器二极管1.1、激光壳体1.2、准直透镜1.3、衰减片1.4和聚焦透镜1.5组成，激光二极管1.1发射的激光束沿中心光轴，依次通过准直透镜1.3、衰减片1.4和聚焦透镜1.5；激光发射器1固定在机壳5外表面，机壳5侧壁开一个通光孔，使激光发射器1输出的激光聚焦到位置敏感探测模块2光敏面的中心区域进行光电转换，控制器3固定在机壳5的外壁上，通过导线与位置敏感探测模块2相连，电信号经控制器3进行信号转换和处理，并显示激光光斑几何中心位置信息，因此，将探头4的机械位移转换为光斑在探测器光敏面上的位移，实现探头4在Z方向的位置测量；机壳5分别与第一X向滑轨8和第二X向滑轨9通过轴孔精密间隙配合连接，第一X向滑轨8和第二X向滑轨9的两端分别设有方形通槽，并通过该方形通槽与第一Y向滑轨10、第二Y向滑轨11连接，连接处采用精密间隙配合，第一Y向滑轨10、第二Y向滑轨11的底部固定于基板12的四角上，机壳5通过第一X向滑轨8和第二X向滑轨9实现探头4在X方向的移动，通过第一Y向滑轨10、第二Y向滑轨11实现探头4在Y方向的移动，以测量被测零件13上不同位置处，探头4的Z向位置信息，通过记录不同位置处激光光斑中心位置值δ_i(i＝1,2，……，n)，可计算出被测零件13的平面度为：max{δ_i}-min{δ_i}。

所述的激光器1.1为600nm～900nm波段带尾纤输出的单纵模半导体激光二极管。

所述的准直透镜1.3为双凸的球面或非球面透镜，透镜表面镀有与激光器1.1波长相同的增透介质膜。

所述的衰减片1.4为吸收型衰减片，通过衰减光强使得位置敏感探测模块2工作在线性区。

所述的聚焦透镜1.5为双凸的球面或非球面透镜，透镜表面镀有与激光器1.1波长相同的增透介质膜。

所述的光电敏感探测模块2选用一维位置敏感探测器进行光电转换和位移测量，通过标定和线性插值的方法提高位移测量精度。

本发明采用光电转换的原理实现平面度测量，光路结构示意图请参阅图3，带尾纤输出的激光器1.1依次经准直透镜1.3、衰减片1.4和聚焦透镜1.5耦合到光电探测模块2的光敏面上，本发明中选用Thorlabs公司的型号为LPS-675-FC带尾纤输出的半导体LD作为光源，激光输出功率P₀＝2.5mW，光纤NA＝0.12，激光的模场直径d可表示为：

$d=\frac{2\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\λ}}{NA}=\frac{2\sqrt{2}\×0.675}{0.12\×\mathrm{\π}}\mathrm{\μ}m7=5.1\mathrm{\μ}m---\left(1\right)$

本发明中选用滨松公司型号为S3931的一维位置敏感探测器接收激光发射器1输出的激光信号，其主要光电参数见表1。由表1可知，为了使得一维位置敏感探测器工作在线性放大区，其接收到激光功率P_psd应满足如下两个关系：

$P_{psd}\≤\frac{T_S}{S}=\frac{100\mathrm{\μ}A}{0.45A/W}=0.22mW---\left(2\right)$

$P_{psd}\≥\frac{10I_d}{S}=\frac{10\×10nA}{0.45A/W}=0.22\mathrm{\μ}W---\left(3\right)$

表1一维PSD光电参数表

序号	指标	参数
			1	光谱响应范围	320nm～1100nm
2	光学灵敏度(785nm)/S	0.45A/W
			3	饱和光电流(5V偏置电压)/Is	100μA
4	暗电流(5V偏置电压)/Id	10nA

根据式(2)和式(3)，选用透过率T₁＝5％的衰减片1.4，通过基片镀增透介质膜的方法，使得准直透镜1.3和聚焦透镜1.5的组合透过率T₂＞95％，因此，一维位置敏感探测器S3931接收到的激光功率为：

P_psd＝P₀×T₁×T₂＝2.5mW×0.05×0.95＝0.12mW(4)

由上式可知，经过光束整形后，聚焦到位置敏感探测模块2光敏面上的激光功率为0.12mW，由式(2)和式(3)可知，PSD处于在线性工作区,光斑直径为0.2mm。为防止由于环境温度变化引起的结构变形，激光器壳体1.2采用钛合金(牌号：TC4)材料进行加工。一维位置敏感探测器S3931的结构请参阅图4，根据探测器上光斑位置的转换公式，

$x=\frac{L}{2}\frac{I_2-I_1}{I_1+I_2}---\left(5\right)$

其中，x表示光斑中心到探测器光敏面中心的距离，I₁和I₂分别为从电极X₁和X₂上输出的光电流，L为探测器光敏面的长度。根据PSD的实测数据，光斑中心到探测器光敏面中心的距离x与(I₂-I₁)/(I₁+I₂)并不是严格的正比关系，因此，需要对位移测量系统进行标定。本发明中选用光栅测微仪作为标定工具，从PSD探测器的中心位置开始向两侧标定，每次移动0.1mm读取10个(I₁-I₂)/(I₁+I₂)的值，并求解平均值。根据PSD的工作特性，自变量t＝(I₂-I₁)/(I₁+I₂)和因变量x之间近似成线性关系，因此，本发明中采用线性插值的方法进行数据拟合，即：每隔0.1mm进行线性插值，插值公式如下：

$f\left(t\right)=\frac{t-t_i}{t_{i-1}-t_i}f\left(t_{i-1}\right)+\frac{t-t_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}f\left(t_i\right),t\∈\[t_{i-1},t_i\]---\left(6\right)$

经过线性插值后，系统的位置测量精度得到很大提高，在一维位置敏感探测器的中心区域[-0.5，0.5]范围内，位置测量精度优于1μm；在一维位置敏感探测器的两端，位置测量精度优于4μm。

在传统方法中，一般选用的塞尺和百分表测量方法，测量精度为0.01mm，但是，塞尺测量法只能对零件四周的平面度进行定性检测，无法进行定量测量；百分表测量法只能对特定区域的平面度进行定量检测，无法做到共基面的全覆盖测量。

综上所述，与传统方法相比，本发明所提及的平面度测量装置结构简单，操作方便，且测量点可全覆盖，平面度测量精度提高了约10倍(测量平面度时，一般选用一维位置敏感探测器的中心区域[-0.5，0.5]范围内进行测量)，且其成本较低，能够在批量生产现场和机械加工车间得到广泛应用。

Claims (6)

1.一种平面度测量装置，其特征在于：包括激光发射器(1)、位置敏感探测模块(2)、控制器(3)、探头(4)、机壳(5)、压缩弹簧(6)、压盖(7)、互相平行的第一X向滑轨(8)与第二X向滑轨(9)、互相平行的第一Y向滑轨(10)与Y向滑轨(11)以及放置被测零件(13)的基板(12)；

所述的位置敏感探测模块(2)固定在探头(4)内，探头(4)放置在机壳(5)内，两者之间采用精密间隙配合，探头(4)上表面开一个圆形凹槽，用于放置压缩弹簧(6)，压盖(7)设有一凸台，嵌入在圆形凹槽内，压盖(7)与机壳(5)之间通过螺钉固定，压盖(7)向下使压缩弹簧(6)产生形变，对探头(4)上表面施加预紧力；

所述的激光发射器(1)由激光器二极管(1.1)、激光壳体(1.2)、准直透镜(1.3)、衰减片(1.4)和聚焦透镜(1.5)组成，激光二极管(1.1)发射的激光束沿中心光轴，依次通过准直透镜(1.3)、衰减片(1.4)和聚焦透镜(1.5)；

所述的激光发射器(1)固定在机壳(5)外表面，机壳(5)侧壁开一个通光孔，使激光发射器(1)输出的激光聚焦到位置敏感探测模块(2)光敏面的中心区域进行光电转换，控制器(3)固定在机壳(5)的外壁上，通过导线与位置敏感探测模块(2)相连，电信号经控制器(3)进行信号转换和处理，并显示激光光斑几何中心位置信息，因此，将探头(4)的机械位移转换为光斑在探测器光敏面上的位移，实现探头(4)在Z方向的位置测量；

所述的机壳(5)分别与第一X向滑轨(8)和第二X向滑轨(9)通过轴孔精密间隙配合连接，第一X向滑轨(8)和第二X向滑轨(9)的两端分别设有方形通槽，并通过该方形通槽与第一Y向滑轨(10)、第二Y向滑轨(11)连接，连接处采用精密间隙配合，第一Y向滑轨(10)、第二Y向滑轨(11)的底部固定于基板(12)的四角上，机壳(5)通过第一X向滑轨(8)和第二X向滑轨(9)实现探头(4)在X方向的移动，通过第一Y向滑轨(10)、第二Y向滑轨(11)实现探头(4)在Y方向的移动。

2.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于所述的激光器(1.1)为600nm～900nm波段带尾纤输出的单纵模半导体激光二极管。

3.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于所述的准直透镜(1.3)为双凸的球面或非球面透镜，透镜表面镀有与激光器(1.1)波长相同的增透介质膜。

4.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于所述的衰减片(1.4)为吸收型衰减片，通过衰减光强使得位置敏感探测模块(2)工作在线性区。

5.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于所述的聚焦透镜(1.5)为双凸的球面或非球面透镜，透镜表面镀有与激光器(1.1)波长相同的增透介质膜。

6.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于所述的光电敏感探测模块(2)选用一维位置敏感探测器进行光电转换和位移测量，通过标定和线性插值的方法提高位移测量精度。